DE69817137T2 - Bildverarbeitung für elektronisches Wasserzeichensetzen - Google Patents

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Dinei A. Florencio
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Description

  • Die Erfindung betrifft die Bildsignalverarbeitung. Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Durchführen der digitalen Wasserzeichenmarkierung einer digitalen Bildsequenz.
  • Mit dem Aufkommen der Digitalisierung von Bildern, der digitalen Bildverbreitung und der Verfügbarkeit digitaler Videos, ist der Schutz des Urheberrechts solcher digitaler Bilder eine wesentliche Frage für Bildverlage und Autoren geworden. Eine Technik, die verwendet wird, um die Urheberschaft eines digitalen Videos zu identifizieren, ist ein digitales „Wasserzeichen", das in eine Bildsequenz eingebettet wird. Solche Wasserzeichen müssen sicher und widerstandsfähig gegenüber beabsichtigter Zerstörung und gegenüber der Komprimierungsverarbeitung sein, dürfen nicht unvernünftig komplex sein, um sie einzubetten und herauszunehmen, und müssen kompatibel sein und dialogfähig mit konventionellen Bildverarbeitungssystemen sein. Für Authentitizierungsanwendungen ist das Wasserzeichen für einen Betrachter einer decodierten Bildsequenz im allgemeinen unsichtbar. In manchen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, ein sichtbares Wasserzeichen zu erzeugen, das durch einen autorisierten Bilddecoder entfernt werden kann und das von einem nicht autorisierten Decoder nicht entfernt werden kann.
  • Verschiedene digitale Wasserzeichenmarkierungstechniken wurden sowohl für Standbilder als auch Videobilder mit variierendem Erfolgsgrad versucht. Die Verwendung von Breitspektrumtechniken ist in Hartung et al. „Digital Watermarking of Raw and Compressed Video", Systems for Video Communication, Oktober 1996, Seiten 205–213 und in Hartung et al. "Watermarking of MPEG-2 Encoded Video Without Decoding and Reencoding", Proceedings of SPIE 3020, Multimedia Computing and Networking 97 (MMCN 97), Februar 1997 beschrieben. Die erste dieser Veröffentlichungen zeigt eine Technik, die die Energie eines Wasserzeichenbildes über eine Videosequenz, die mit Wasserzeichen versehen werden soll, unter Verwendung eines Pseudo-Rauschsignals ausdehnt. Sobald das Pseudo-Rauschsignal in die Videosequenz eingebettet wurde, codiert das System die Videosequenz, die das Wasserzeichen enthält. In dieser Art und Weise wird die Wasserzeichenmarkierung in dem Pixelraum verwirklicht. Auf diese Art und Weise wirken jegliche Codierverluste in dem Videocodierprozeß auf das Wasserzeichen wie auch auf die Bilder in der Videosequenz. Bei dem Decoder wird das verteilte Wasserzeichen korreliert und aus der Videosequenz entfernt. Die Verwendung von einer Breitspektrumtechnik erfordert eine beachtliche Synchronisation und eine Signalverarbeitungshardware sowohl bei dem Codierer als auch bei dem Decodierer, um die Wiedergewinnung des Wasserzeichens und des Videos zu ermöglichen. Im Grunde genommen werden Pixelraum-Wasserzeichenmarkierungsprozesse im allgemeinen vermieden.
  • Die zweite der vorerwähnten Veröffentlichungen beschreibt eine Wasserzeichenmarkierungstechnik im Bitstromraum, wo der „Block" eines Einzelbildes innerhalb der Videosequenz codiert wird und dann mit einem codierten Wasserzeichensignal kombiniert wird. Genauer gesagt, ist ein Block im allgemeinen ein 8 × 8 Pixelabschnitt eines Einzelbildes. Der Block wird codiert unter Verwendung eines diskreten Kosinustransformation (DCT), um einen codierten Block zu bilden. Eine Wasserzeichenbild ist in ähnlicher Weise in Blöcke aufgeteilt und DCT-codiert. Die DCT-Koeffizienten, die den codierten Wasserzeichenbock und den codierten Bildblock darstellen, werden dann zusammenaddiert, um einen kombinierten Block zu bilden. Der kombinierte Block wird quantisiert und fehlercodiert. Danach wird ein Auswahlprozeß durchgeführt, um nur die „watermarked" Koeffizienten zu übertragen, was die notwendige Bitrate, um die codierte Videosequenz zu übertragen, nicht erhöhen wird. Dieser Auswahlprozeß vergleicht die Anzahl von Bits, die notwendig sind, um die Koeffizienten des kombinierten Blocks mit der Anzahl der erforderlichen Bits zu kombinieren, um die Koeffizienten nur des Bildblocks zu codieren. Wenn die Anzahl von kombinierten Blockbits größer als die Anzahl von Bildblockbits ist, dann überträgt das System die Bildblockbits; anderenfalls wird der kombinierte Block übertragen. Es ist klar, daß solch ein Auswahlprozeß etwas von der Wasserzeicheninformation eliminiert und daher das Wasserzeichen verformt. In manchen extremen Fällen kann die Wasserzeicheninformation überhaupt nicht mehr übertragen werden oder solch eine geringe Menge kann übertragen werden, daß das Wasserzeichen nutzlos wird. Aufgrund der Zufälligkeit der Übertragung oder Nichtübertragung jedes Bits ist diese Technik ebenso auf das Verteilungs- bzw. Breitspektrum oder andere hochredundante Wasserzeichenmarkierungstechniken beschränkt. Die Redundanz kann dann von einem Angreifer verwendet werden, um das Wasserzeichen zu lokalisieren und zu entfernen.
  • Es besteht daher im Stand der Technik die Notwendigkeit für eine Wasserzeichenmarkierungstechnik, die nicht einen Teil des Wasserzeichensignals durch Einfügen eines Wasserzeichens in die codierte Bitstromdarstellung einer Bildsequenz entfernt.
  • Die EP 0 805 600 zeigt ein Verfahren zur Überlagerung einer Nachricht auf einem Videobild in dem komprimierten Raum. Um eine codierte Nachricht zu überlagern, wird der Eingangsvideobitstrom durch eine codierte Nachricht ersetzt. Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber diesem Verfahren dar.
  • Aspekte der Erfindung werden in den Ansprüchen spezifiziert, auf die die Aufmerksamkeit gerichtet wird.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung trachten danach, die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verknüpft sind, zu überwinden. Die Ausführungsformen stellen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung, die eine Wasserzeicheninformation direkt in einen codierten Videobit strom einfügt. Die Ausführungsform identifiziert bestimmte Blöcke oder Makroblöcke in einem codierten Videobitstrom und fügt die Wasserzeicheninformation direkt in den Bitstrom ein, so daß diese bestimmten Blöcke oder Makroblöcke durch einen Block oder Makroblock, der Wasserzeicheninformation enthält, ersetzt werden.
  • Die Videoinformation in jedem Makroblock oder Block innerhalb eines Makroblocks kann durch einen Makroblock oder einen Block, der Wasserzeicheninformation enthält, ersetzt werden. Eine Form des Makroblocks, der mit Wasserzeicheninformation ersetzt werden kann, ist ein „ausgelassener" bzw. „skipped" Makroblock. Sogenannte ausgelassene oder übergangene Makroblöcke sind Makroblöcke der Videoinformation, die für den Codierprozeß als belanglos erachtet werden und als solche von dem Codierer als Makroblöcke identifiziert werden, die nicht codiert und übertragen werden, d. h. ausgelassen werden. Zusätzlich können Makroblöcke Informationsblöcke enthalten, die „ausgelassen" sein können und als solche, obgleich ein Makroblock selbst nicht ausgelassen wird, kann ein Block innerhalb des Makroblocks ausgelassen werden. Folglich kann die Wasserzeicheninformation in solch einen ausgelassenen Block eingefügt werden.
  • In einer blockbasierten Codiertechnik, wie zum Beispiel die MPEG-Codierung, wird das Video als definierte Bildgruppe codiert, wobei jede Gruppe von Bildern einen bestimmten Typ von Einzelbildern beinhaltet, die als I-, P- und B-Einzelbilder bekannt sind. Wenn die Wasserzeicheninformation in nur in Blöcken innerhalb der B-Einzelbilder plaziert wird, dann wird das Wasserzeichen im allgemeinen unsichtbar sein. B-Einzelbilder werden nicht verwendet, um andere Einzelbilder während der Decodierung vorherzusagen; daher wird das Wasserzeichen nur für einen Bruchteil einer Sekunde auf dem Schirm erscheinen. Wenn jedoch die Wasserzeicheninformation in einem I- oder P-Einzelbild plaziert wird, wo die Einzelbildinformation verwendet wird, um andere Einzelbilder während der Decodierung vorherzusagen, wird die Wasserzeicheninformation in dem decodierten Video sichtbar sein, es sei denn, das Wasserzeichen wird aus dem Bitstrom durch einen „autorisierten" Decoder entfernt. Um die Sichtbarkeit des Wasserzeichens weiter einzustellen, wird die Amplitude der diskreten Kosinustransformationskoeffizienten, die ein Wasserzeichen enthalten, sowie auch die Quantisierungsskala, die verwendet wird, um die Wasserzeichen-DCT-Koeffizienten zu quantisieren, eingestellt.
  • Die Lehren der vorliegenden Erfindung kann man leicht verstehen beim Betrachten der folgenden illustrativen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines blockbasierten Videocodierers gemäß der vorliegenden Erfindung für die Wasserzeichenmarkierung des codierten Videobitstroms darstellt,
  • 2 ein detailliertes Blockdiagramm eines Wasserzeichenprozessors entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt und
  • 3 ein Flußdiagramm eines Arbeitsverfahrens für den Wasserzeichenprozessor von 2 darstellt.
  • Um das Verständnis zu erleichtern, wurden identische Bezugszeichen verwendet, wo dies möglich war, um identische Elemente, die in den Figuren gemeinsam sind, zu bezeichnen.
  • 1 stellt ein blockbasiertes Videocodiersystem 100 dar, das einen blockbasierten Codierer 102, einen Wasserzeichenprozessor 104 und einen optionalen Transportstromgenerator 106 enthält. Der blockbasierte Codierer 102 ist beispielsweise ein Codierer, der die Standards der Moving Pictures Experts Group (MPEG) für solche Codierer von Videobildsequenzen erfüllt, d. h. der Codierer wird allgemein als MPEG-Codierer bezeichnet. Dieser MPEG-Codierer 102 erzeugt einen „Blocklevel"-Bitstrom, der eine Bildkopfzeile(n) und eine Abfolge von codierten Pixelblöcken, die ein Einzelbild (Bild) innerhalb einer Abfolge von Bildern (Video) darstellt, enthält. Der Codierer erzeugt ebenso eine Mehrzahl von Bewegungsvektoren (MV), die mit dem codierten Einzelbild in Relation stehen und innerhalb des Bitstroms eingebettet sind. Die codierten Einzelbilder werden allgemein als I-, P- und B-Einzelbilder klassifiziert, wobei I-Einzelbilder nicht aus irgendwelchen anderen Einzelbildern vorhergesagt werden, P-Einzelbilder codiert werden unter Verwendung eines Referenzeinzelbildes, d. h. von I-Einzelbildinformation oder von Informationen von einem anderen P-Einzelbild, und B-Einzelbilder Einzelbilder sind, die unter Verwendung von zwei Referenzeinzelbildern codiert werden, d. h. unter Verwendung von Informationen von einem I-Einzelbild und einem P-Einzelbild oder Information von zwei P-Einzelbildern. Eine detaillierte Beschreibung des Codierprozesses, der von einem MPEG-Codierer verwendet wird, wird in dem ISO/IEC International Standard 13818-2, 20. Januar 1995 beschrieben.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung als mit einem MPEG-Codierer zusammenarbeitend erörtert wird, sollte verstanden werden, daß die erfindungsgemäße Wasserzeichenvorrichtung bei jedem Bildsequenzcodierprozeß anwendbar ist, der eine blockbasierte Codiertechnik verwendet, zum Beispiel H.261, MPEG-1, MPEG-2 und dergleichen.
  • Ein Merkmal eines blockbasierten Codiersystems, das Wasserzeichenmarkierungstechniken gemäß der vorliegenden Erfindung verwertet, ist das Merkmal, daß die Übertragung von bestimmten ausgewählten Informationsblöcken ausgelassen wird, um Übertragungsbandbreite zu sparen. Beispielsweise wird bei der MPEG-Codierung ein Videoeinzelbild in eine Mehrzahl von Makroblöcken unterteilt, wobei jeder Makroblock aus einer Mehrzahl von Blöcken besteht. In einem 4 : 2 : 0 Chrominanzformat weist ein Makroblock vier 8 × 8 Blöcke Helligkeitsdaten und zwei 8 × 8 Blöcke Chrominanzdaten auf. In einem 4 : 2 : 2 Chrominanzformat gibt es vier Blöcke Chrominanzdaten und in einem 4 : 4 : 4 Chrominanzformat gibt es acht Blöcke Chrominanzdaten. Jeder Makroblock wird codiert durch Durchführen einer diskreten Kosinustransformation (DCT) auf jedem 8 × 8 Block. Die DCT- Koeffizienten werden dann quantisiert, um eine Mehrzahl von 8 × 8 Blöcken zu bilden, die quantisierte DCT-Koeffizientenblöcke enthalten. Für bestimmte Abschnitte des Bildes, zum Beispiel „flache" Regionen, enthalten die Blöcke sehr wenig oder gar keine DCT-Information. Da diese Blöcke Informationen enthalten, die für die Codiertechnik belanglos sind, markiert der Codierer diese Blöcke als nicht notwendigerweise von dem Codiersystem zu übertragen (oder zu speichern). Als solche werden sie als „auszulassen" markiert. Die Markierung wird verwirklicht unter Verwendung eines „Makroblockadreßinkrementierungsfeld", das die Beziehung eines bestimmte Makroblocks zu einem vorherigen Makroblock identifiziert. Wenn das Inkrement eine Nummer ausläßt, ist die ausgelassene Nummer ein ausgelassener Makroblock. Wenn beispielsweise ein erste Makroblock mit einer Adresse „158" verknüpft ist und der nächste Makroblock ein Inkrementfeld hat, das die ganz Zahl „2" enthält, um es als Makroblockadresse „160" zu identifizieren, dann ist der 159-te Makroblock ein ausgelassener Makrobock. Das Makroblockadreßinkrementierungsfeld wird in dem MPEG-Standard 13818-2 definiert.
  • Zusätzlich können die ausgelassenen Blöcke innerhalb eines Makroblocks sein, so daß ein Makroblock einige Blöcke mit relevanter Information und einige Blöcke mit irrelevanter Information enthalten kann. In diesen Fällen werden die Blöcke mit irrelevanter Information nicht codiert und werden ausgelassen. Diese ausgelassenen Blöcke innerhalb eines Makroblocks werden von einem „codierten Blockmuster" (CBP) Feld innerhalb der Einzelbildkopfzeile identifiziert. Im allgemeinen enthält das CBP ein Mehrtachbitwort, ein Bit für jeden Block in einem Makroblock (zum Beispiel in einem 4 : 2 : 0 Chrominanzformt gibt es sechs Bits in dem CBP für jeden Makroblock, wobei eine „1" anzeigt, daß der Block zu codieren ist, und eine „0" anzeigt, daß der Block auszulassen ist), Die vorliegende Erfindung fügt Wasserzeichen in einen Bitstrom entweder auf der Makroblockebene oder auf der Blockebene oder auf beiden Ebenen ein.
  • Obgleich in den beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Wasserzeicheninformation in den Bitstrom an Orten der ausgelassenen Blöcke oder Makroblöcke eingefügt wird, kann die Erfindung verwendet werden, um Wasserzeicheninformation in irgendeinen Block oder Makroblock innerhalb eines Bitstroms einzufügen. Insbesondere kann ein bestimmtes Kriterium verwendet werden, um bestimmte Blöcke oder Makroblöcke auszuwählen und Wasserzeicheninformation durch Substituieren der Wasserzeichen DCT-Koeffizienten für diese Blöcke einzufügen, durch Addieren der Wasserzeichen DCT-Koeffizientenwerte zu denen der Blöcke oder durch anderenfalls Kombinieren der DCT-Koeffizienten des Wasserzeichens mit denen der Blöcke in dem Bitstrom. Das Blockauswahlkriterium kann irgendein verfügbares Kriterium sein. Ein Beispiel ist es, Blöcke innerhalb einer „besetzten" oder komplexen Region des Videobildes zu identifizieren und die Wasserzeicheninformation in dieses Gebiet einzufügen. Solch ein Bereich kann durch Überwachen der Amplitude der hochfrequenten DCT-Koeffizienten innerhalb des Videoeinzelbildes oder unter Verwendung eines subjektiven Standards, wie zum Beispiel der „Just Noticeable Differences (JND)"-Technik bzw. einer gerade-bemerkbare-Unterschiede-Technik, wie sie in der US-Patentanmeldung Nr. 08/730,275, eingereicht am 15. Oktober 1996, beschrieben wird, identifiziert werden. Durch Einfügen des Wasserzeichens in eine besetzte Region wird jede Bildverzerrung, die von dem Wasserzeichenmarkierungsprozeß verursacht wird, nicht bemerkbar sein, da die besetzte Region die Störung maskiert.
  • Der Wasserzeichenprozessor 104 erzeugt ein Wasserzeichen, verarbeitet das Wasserzeichen, um eine Darstellung zu erzeugen, die mit dem Bitstrom kompatibel ist (d. h. für einen MPEG-Codierer wird das Wasserzeichen in Blöcke unterteilt, dann DCT-verarbeitet und quantisiert, um eine Mehrzahl von kompatiblen Makroblöcken zu bilden), wählt bestimmte der „ausgelassenen" Makroblöcke oder Blöcke aus, ersetzt die ausgewählten ausgelassenen Makroblöcke oder Blöcke mit Wasserzeichenmakroblöcken oder Blöcken und gibt den mit Wasserzeichen versehenen Bitstrom aus. Der mit Wasserzeichen versehene Bitstrom wird dann weiter, wie es benötigt wird, von dem optionalen Transportstromgenerator 106 weiter verarbeitet, um einen MPEG-konformen Transportstrom zu bilden.
  • Um ein unsichtbares Wasserzeichen einzufügen, wird die Wasserzeichenmarkierungstechnik im allgemeinen auf B-Einzelbilder angewendet. In diesem Fall wird das mit einem Wasserzeichen versehene Einzelbild nicht von dem Decoder verwendet, um irgendwelche anderen Einzelbilder zu rekonstruieren und folglich würde das Wasserzeichen nur für einen Bruchteil einer Sekunde auf dem Schirm erscheinen. Obgleich das Wasserzeichen nur in einem einzelnen Einzelbild oder mehreren Einzelbildern, die über die decodierte Abfolge verteilt sind, erscheint, kann das decodierte Video durchsucht werden und das Wasserzeichen könnte leicht identifiziert werden, um eine Übertragung zu autentifizieren. Auf der anderen Seite, wenn beabsichtigt ist, daß das Wasserzeichen sichtbar ist, kann das Wasserzeichen in ein oder mehrere I- oder P-Einzelbilder eingefügt werden. In diesem Fall würde das mit Wasserzeichen versehene Einzelbild von dem Decoder verwendet werden, um andere Einzelbilder zu rekonstruieren und folglich würde es auf dem Schirm für eine längere Zeit erscheinen. Zusätzlich kann das Wasserzeichen mehr oder weniger markant in einer Anzeige ausgeführt werden durch Einstellen der Amplitude der DCT-Koeffizienten des Wasserzeichens und durch Einstellen der Quantisierungsskala, die verwendet wird, um die DCT-Koeffizienten des Wasserzeichens zu quantisieren.
  • 2 stellt ein detailliertes Blockdiagramm des Wasserzeichenprozessors 104 dar. Der Prozessor 104 weist ein Einzelbild und einen Blockselektor 220, einen Wasserzeichencodierer 210, einen Wasserzeichengenerator 208, einen Codier-/Auslaßcodegenerator, einen Benutzerdatenprozessor 260 und einen Konformitätstester 218 auf. Der Einzelbild- und Blockselektor weist weiterhin eine Speichereinrichtung 200, einen Blockprozessor 202, einen Blockselektor 204 und einen Adreßgenerator 212 auf. Der Blockebenenbitstrom ist mit der Speichereinrichtung 200 innerhalb des Selektors 220 verbunden, wo eine Bildkopfzeile und ihre begleitenden Daten, zum Beispiel Makroblöcke und die sie bildenden Blöcke von quantisierten DCT-Koeffizienten aufeinanderfolgend gespeichert wer den. Es sei bemerkt, daß der Begriff „Blöcke" generisch verwendet wird, um jegliche Größe oder Form einer Gruppe von DCT-Werten (oder quantisierten DCT-Werten), die die Information innerhalb eines Abschnittes eines Bildes darstellen, bedeuten und dieser Term ist vorgesehen, Makroblöcke sowie auch Blöcke innerhalb der Makroblöcke zu umfassen. Wenn die Blöcke gespeichert werden, identifiziert der Blockprozessor 202 die Blöcke, die innerhalb eines ausgewählten Einzelbildes „ausgelassen" werden. Die ausgelassenen Makroblöcke werden durch Lesen des Makroblockadreßinkrementierungsfeldes identifiziert und die ausgelassenen Blöcke werden unter Verwendung des CBP-Feldes identifiziert. Der Blockprozessor 202 stellt ebenso die Speicheradresse (ADDR) für jeden Block zur Verfügung. Im Grunde genommen, korreliert der Blockprozessor 202 die ausgelassenen Blöcke mit einer Speicheradresse und stellt die Speicheradresse von jedem ausgelassenen Block einem Blockselektor 204 bereit.
  • Der Blockselektor 204 enthält ein Register 206, wo die Speicheradressen des ausgelassenen Blocks zeitweilig gespeichert werden. Der Blockselektor 204 bestimmt, wie viele Blöcke in einem ausgewählten Einzelbild für die Verwendung als Wasserzeichenblöcke zur Verfügung stehen. Mit anderen Worten zählt der Blockselektor die Anzahl von ausgelassenen Blöcken innerhalb des ausgewählten Einzelbildes durch Überwachen des Makroblockinkrementierungsfeldes und/oder des CBP-Feldes. Der Blockselektor 204 stellt die Anzahl von Blöcken (NUM) bereit, die für das Wasserzeichenmarkieren dem Wasserzeichencodierer 210 verfügbar sind und stellt eine erste Adresse eines ersten ausgelassenen Blocks, der mit einem Wasserzeichen zu versehen ist, dem Adreßgenerator zur Verfügung. Die Adresse wird im allgemeinen einem Adreßladeabschluß (ADDR LOAD) des Adreßgenerators 200 bereitgestellt.
  • Der Wasserzeichencodierer 210 ist mit einem Wasserzeichengenerator 208 verbunden. Der Wasserzeichengenerator kann entweder einen deterministischen oder einen Pseudozufallswasserzeichencode bereitstellen. Ein deterministisches Wasserzeichen kann ein digitalisiertes Logo oder ein Firmenname sein, der in einer ASCII-Zeichenabfolge und dann in eine Binärzahlabfolge umgewandelt wurde. Ein Pseudozufallswasserzeichen ist eine pseudozufällig erzeugte Binärzahlabfolge, die als ein sicheres Wasserzeichen verwendet werden kann. Eine Kombination der beiden Formen kann einen Pseudozufallscode verwenden, um die Energie des Logos über eine Bildregion auszudehnen. Kurz gesagt, kann jede Form eines Wasserzeichens oder eines anderen identifizierenden Codes als ein Wasserzeichen verwendet werden.
  • Der Wasserzeichencodierer 210 codiert das Wasserzeichen durch Aufteilen des Wasserzeichens in eine Mehrzahl von Blöcken. Die Anzahl von Blöcken wird durch die Anzahl (NUM) von ausgelassenen Blöcken definiert, die von dem Blockselektor 204 ausgewählt werden. Die Wasserzeichenblöcke werden DCT-verarbeitet und quantisiert, um Blöcke zu bilden, die mit denen zusammenpassen, die in dem Bitstrom enthalten sind. Andere bekannte Verarbeitungen können verwirklicht werden, um das Wasserzeichen an den Bitstrom anzupassen, wie zum Beispiel die Dezimierung, die Filterung, die Skalierung und dergleichen. Diese codierten Wasserzeichenblöcke werden in der Speichereinrichtung an den Adressen der ausgewählten ausgelassenen Blöcke gespeichert. Die Speicheradressen werden von dem Blockselektor 204 dem Adreßgenerator 212 bereitgestellt. Wenn der Adreßgenerator aktiviert ist, wird die Adresse an dem Adreßladeanschluß mit der Adreßleitung (ADDR) der Speichereinrichtung 200 verbunden. Folglich wird der Wasserzeichenblock an diesem Adreßort in der Speichervorrichtung abgelegt und ersetzt den vorher abgespeicherten Block an diesem Ort. Dies wird für jeden verfügbaren Wasserzeichenblock wiederholt, bis die ausgewählten ausgelassenen Blöcke alle ersetzt wurden.
  • Sobald das Einzelbild mit den mit Wasserzeichen versehenen Blöcken aktualisiert wurde, wird der Adreßgenerator initialisiert, um aufeinanderfolgende Adressen zu erzeugen, so daß der Bitstrom aus der Speichereinrichtung in der Ordnung, in der er gespeichert wurde, abgefragt wird. Der abgefragte Bitstrom ist mit dem Codier-/Auslaßcodegenerator 214 verbunden, der ein aktualisiertes CBP-Feld und Wasserzeicheninkrementierungsfeldinformation der Speichereinrichtung 200 zur Verfügung stellt. Diese neue Feldinformation wird in die Bildkopfzeile eingefügt, um die mit Wasserzeichen versehenen Blöcke als Blöcke, die codiert wurden, zu identifizieren.
  • Der Bitstrom wird dann mit einem Benutzerdatenprozessor 216 verbunden, wo die Benutzerdaten innerhalb des Bitstroms mit jeglicher Information, die notwendig ist, um das Wasserzeichen zu codieren und/oder aus den Bildern zu entfernen, aktualisiert werden. Diese Information wird von dem Wasserzeichengenerator 208 bereitgestellt und mit dem Benutzerdatenprozessor 2165 verbunden. Wenn das Wasserzeichen beispielsweise ein Pseudozufallscode ist, dann kann der „Seed" bzw. der Startwert für diesen Code als Benutzerdaten übertragen werden, so daß ein Decoder das Wasserzeichen decodieren kann und es aus dem decodierten Videostrom entfernen kann.
  • Schließlich wird der resultierende Bitstrom auf Übereinstimmung überprüft unter Verwendung des Übereinstimmungstestes 218, um sicherzustellen, daß der Bitstrom, so wie er mit einem Wasserzeichen versehen ist, den MPEG-Standard erfüllt, zum Beispiel überprüft der Konformitätstester die Byte-Ausrichtung an dem Ende jedes Teils der Bildinformation durch Überwachen der Anzahl von Blockeinfügungen, die innerhalb eines bestimmten Teils verwirklicht werden, und der virtuelle Puffer bestätigt die Einschränkungen, um sicherzustellen, daß ein Pufferüberlauf oder -unterlauf nicht die Folge ist, wenn Wasserzeichenblöcke in den Bitstrom eingefügt werden. Wenn eine Unterlauf- oder Überlaufbedingung droht, kann ein Feedback zu dem Codierer geliefert werden, um die Bits, die in dem nächsten Makroblock, der codiert wird, zu erhöhen oder zu erniedrigen, um die Wasserzeicheneinfügung zu kompensieren.
  • Im Ergebnis der Verwendung des Wasserzeichenprozessors der vorliegenden Erfindung wird ein Wasserzeichencode oder ein codiertes Wasserzeichenbild direkt in den Bitstrom eingefügt. Der MPEG konforme Bitstrom ist nun bereit für die optionale Aufteilung in Pakete in einen Transportstrom für die Übertragung zum Decoder.
  • 3 stellt ein Flußdiagramm dar, das das Betriebsverfahren 300 des Wasserzeichenprozessor 104 von 2 darstellt, das die Wasserzeicheninformation in ausgelassene Blöcke innerhalb eines Makroblocks einfügt. Das Verfahren 300 beginnt in Schritt 302 und setzt mit Schritt 304 fort, wo die Anzahl von ausgelassenen Blöcken identifiziert wird. In Schritt 306 wird eine bestimmte Anzahl von ausgelassenen Blöcken für das Versehen mit Wasserzeichen ausgewählt. Diese Auswahl basiert im allgemeinen auf der Gesamtzahl von Blöcken, die notwendigerweise das Wasserzeichen enthalten, und auf dem Ort der Blöcke innerhalb des Bildes, zum Beispiel die Plazierung des Wasserzeichens in einer „geschäftigen" Region des Einzelbildes. Wenn das Wasserzeichen ein eher einfacher Code ist, dann werden weniger Blöcke benötigt; wenn jedoch das Wasserzeichen ein Bild oder ein Logo ist, werden mehr Blöcke benötigt, um die Wasserzeichendaten aufzunehmen.
  • In einem MPEG Codierer kann beispielsweise der Bitstrom gescannt werden, um ein B-Einzelbild zu finden, das ein CBP-Feld mit dem folgenden Bits 111100 enthält, die einen Makroblock darstellen, wo alle Y-Blöcke codiert sind, jedoch nicht die U- und V-Blöcke. Die U- und V-Blöcke innerhalb des Makroblocks werden ausgelassen.
  • In Schritt 308 wird das CBP-Feld, das die ausgelassenen Blöcke als diejenigen Blöcke, die auszulassen sind, identifiziert, aktualisiert, um anzuzeigen, daß diejenigen Blöcke zu codieren sind. In dem einfachen Beispiel wird das CBP in 111110 verändert, um anzuzeigen, daß einer der vorher ausgelassenen Blöcke, der U-Block, nun codierte Daten enthält. In einem System für das Einfügen der Wasserzeicheninformation auf einer Makroblockebene überwacht Schritt 306 das Makroblockadreßinkrementierungsfeld, um ausgelassene Makroblöcke zu identifizieren, und Schritt 308 aktualisiert das Makroblockadreßinkrementierungsfeld, um Makroblöcke zu identifizieren, die nun Wasserzeicheninformation enthalten.
  • In Schritt 310 werden die ausgewählten Blöcke durch Blöcke, die die Wasserzeicheninformation enthalten, ersetzt. Im allgemeinen wird die Wasserzeicheninformation als eine Anordnung von Huffmann-codierten, zickzackabgetasteten, quantisierten DCT-Koeffizienten codiert. Eine geeignete Anzahl von Nullen kann notwendig sein, um sie an dem Ende des Slice einzufügen, das den Wasserzeichenblock enthält. Solch eine Nulleinfügung bewahrt die Byte-Ausrichtung.
  • Bei dem optionalen Schritt 312 fügt das Verfahren Wasserzeichencodierinformation in die Benutzerdaten des Bitstroms ein, wie benötigt wird. Dieser Schritt addiert Informationen, die den Decoder bei der Lokalisierung und Decodierung des Wasserzeichens unterstützen. Solche Daten können ein Seed für einen Pseudozufallscode sein, der die Basis für das Wasserzeichen bildet und/oder ein Ortsidentifizierer für jedes Wasserzeichen sein, so daß der Decoder leicht das Wasserzeichen aus der decodierten Bildsequenz entfernen kann. Im Grunde genommen kann ein autorisierter Decoder ein sichtbares Wasserzeichen entfernen, um eine „saubere" Bildsequenz zu erzeugen; während ein nicht autorisierter Decoder eine gestörte Bildsequenz erzeugen würde, die das sichtbare Wasserzeichen enthält. Wenn alle Videosignale aus dem Strom entfernt wurden, um das Wasserzeichen einzufügen, kann die Information zu dem Decoder als „Benutzerdaten" gesendet werden, so daß ein autorisierter Decoder die Wasserzeicheninformation tragenden Blöcke durch die Videosignalsinformation tragenden Blöcke ersetzen kann, um ein ungestörtes Einzelbild zu erzeugen.
  • In Schritt 314 überprüft das Verfahren den mit einem Wasserzeichen versehenen Bitstrom auf Konformität mit dem Codierstandard, zum Beispiel MPEG. Der resultierende Bitstrom ist ein konformer Bitstrom, der ein Wasserzeichen in bestimmten ausgewählten Blöcken von bestimmten ausgewählten Einzelbildern des Stroms enthält. Wenn der Bitstrom beispielsweise als ein Bitbudget für den Strom verletzend angesehen wird (zum Beispiel werden zu viele Bits verwendet, um das Bild zu codieren, so daß der Decoder die Bildsequenz nicht exakt decodieren wird), kann der Strom eingestellt werden, um die von der sich im Strom befindlichen Wasserzeicheninformation hinzugefügte Extrabits zu kompensieren. Solch eine Kompensation kann verwirklicht werden durch Entfernen von Datenblöcken aus dem Strom, bis die Bitrate innerhalb der Grenzen liegt.
  • Wenn das Wasserzeichen decodiert wird, kann es entweder sichtbar oder unsichtbar sein, abhängig von den Einzelbildtypen, in die das Wasserzeichen eingefügt wurde, und der „Stärke" des Wasserzeichens, d. h. der Größe der Wasserzeichen DCT-Koeffizienten, sowie auch der Quantisierungsskala, die verwendet wird, um die Wasserzeichen DCT-Koeffizienten zu quantisieren. Im allgemeinen wird die Wasserzeicheninformation, um ein unsichtbares Wasserzeichen (eine bevorzugte Bedingung, wenn das Wasserzeichen für die Authentifizierung verwendet wird) zu haben, innerhalb ausgelassener Blöcke in ein oder mehreren B-Typ Einzelbildern plaziert. Im Grunde genommen breitet sich bei der Decodierung die Wasserzeicheninformation nicht zu anderen Einzelbildern aus, da keine B-Einzelbilder verwendet werden, um andere Einzelbilder vorherzusagen. Folglich würde das Wasserzeichen während der Einzelbildzeit des decodierten B-Einzelbildes erscheinen (aufblitzen), zum Beispiel während 1/30 einer Sekunde. Weitere Unsichtbarkeit wird erzeugt, wenn Hochfrequenz DCT-Koeffizienten niedriger Größe verwendet werden, um das Wasserzeichen darzustellen und das Wasserzeichen in einen „geschäftigen" Abschnitt des Einzelbildes eingefügt wird.
  • In Anwendungen, wo das Wasserzeichen sichtbar ist, werden I- oder P-Einzelbilder ausgewählt, um die Wasserzeicheninformation zu tragen. P-Einzelbilder enthalten ausgelassene Blöcke, die wie oben beschrieben ersetzt werden können; I-Einzelbilder haben jedoch keine ausgelassenen Blöcke und es müssen tatsächlich datentragende Blöcke durch die Wasserzeichenblöcke ersetzt werden. Durch Verwendung von DCT-Wasserzeichenkoeffizienten mit niedriger Frequenz und hohem Wert sind die Wasserzeichen leicht auf dem Schirm zu sehen, da die I- und P-Einzelbilder verwendet werden, um andere Einzelbilder vorherzusagen, so daß das Wasserzeichen leicht auf dem Schirm zu sehen wäre, da die I- und P-Einzelbilder verwendet werden, um andere Einzelbilder vorherzusagen, so daß das Wasserzeichenbild auf dem Schirm in vielen der decodierten Einzelbildern erscheinen würde.
  • Falls nicht ausreichend ausgelassene Blöcke verfügbar sind, um die Wasserzeicheninformation zu tragen, oder I-Einzelbilder das Wasserzeichen tragen sollen, dann wird die vorliegende Ausführungsform Blöcke mit niedriger Energie (zum Beispiel hochfrequente DCT-Koeffizienten mit niedrigem Wert) für das Ersetzen durch die Wasserzeichenblöcke auswählen. Zusätzlich könnte die Wasserzeicheninformation, um die Ausführungsform ohne die Auswahl ausgelassener Blöcke zu benutzen, in den Bitstrom als hinzugefügte Information oder um Information innerhalb irgendeinem Niedrigenergieblock zu ersetzen, eingefügt werden. Der Blockprozessor 202 würde somit die Blöcke niedriger Energie anstelle der ausgelassenen Blöcke identifizieren. Der Rest des Systems von 2 würde arbeiten wie oben beschrieben wurde ohne die Notwendigkeit, diejenigen Felder zu aktualisieren, die ausgelassene Blöcke identifizieren. Wenn ein Block durch die Wasserzeicheninformation ersetzt wird, dann könnte ebenso die Information von dem ersetzten Block als „Benutzerdaten" in den Bitstrom eingefügt werden, so daß ein Decoder in der Lage wäre, diese Daten für die Bildregeneration zu verwenden.
  • Die Wasserzeicheninformation, die in dem Block (Blöcken) enthalten ist, kann dieselbe für jeden Block sein oder, um nicht autorisierte Versuche, das Wasserzeichen zu verändern, zu bekämpfen, kann sich die Wasserzeicheninformation von Block zu Block oder von Einzelbild zu Einzelbild verändern.
  • Unter Verwendung der Ausführungsform der Erfindung, die hier beschrieben wurde, wird Wasserzeicheninformation direkt in die Bitstromdarstellung einer Bildsequenz eingefügt. Folglich kann ein Standardbildsequenzcodierer, zum Beispiel ein MPEG-Codierer, verwendet werden, um einen konformen Blockebenenbitstrom zu erzeugen. Der Bitstrom wird geändert, um die Wasserzeicheninformation einzufügen. Der Einfügungsprozeß erlaubt es, daß das Wasserzeichen mit der Codierung wahlweise sichtbar oder unsichtbar ist, abhängig von dem Ort des Bitstroms, in den das Wasserzeichen eingefügt wurde, d. h. dem Typ des Einzelbildes, der verwendet wird, um das Wasserzeichen zu tragen. Folglich stellt die Ausführungsform eine flexible und robuste Technik für das Versehen einer Abfolge von Bildern mit einem Wasserzeichen zur Verfügung.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Einfügen eines Wasserzeichens in einen Bitstrom auf Blockebene (blocklevel), der eine codierte Abfolge von Bildern beinhaltet, das die Schritte aufweist: Identifizieren von zumindest einem Block innerhalb des Blockebenen-Bitstromes, für den, wenn die Bildinformation in dem zumindest einen Block verändert wird, eine decodierte Abfolge von Bildern, die den zumindest einen Block enthält, nicht wesentlich beeinflußt würde, Auswählen des zumindest einen identifizierten Blockes innerhalb eines Einzelbildes als einen ausgewählten Block, Kombinieren des ausgewählten Blockes mit einem Block, der die Wasserzeicheninformation enthält, und wodurch der Bitstrom auf Blockebene mit einem Wasserzeichen versehen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auswahlschritt weiterhin die Schritte aufweist: Identifizieren (304) von Blöcken innerhalb des Blockebenen-Bitstroms, die nicht als übersprungene Blöcke codiert sind, und Auswählen (396) eines übersprungenen Blockes als den ausgewählten Block.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Block, der die Wasserzeicheninformation enthält, durch die folgenden Schritte erzeugt wird: zur Verfügung stellen eines Wasserzeichenbildes, Durchführen einer diskreten Kosinustransformation auf dem Wasserzeichenbild, um eine Mehrzahl von DCT-Koeffizienten zu bilden, und Quantisieren der DCT-Koeffizienten, um zumindest einen Block von quantisierten DCT-Koeffizienten zu erzeugen, die den Block von Wasserzeicheninformation bilden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt aufweist: Verändern (312) ein Benutzerdatenfeld des Blockebenen-Bitstroms, um die Wasserzeichendecodierinformation aufzunehmen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auswahlschritt weiterhin die Schritte aufweist: Identifizieren einer belebten Region innerhalb des Einzelbildes und Auswählen des Blockes innerhalb der belebten Region.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auswahlschritt weiterhin die Schritte aufweist: Identifizieren einer bestimmten Region innerhalb des Einzelbildes unter Verwendung eines subjektiven Kriteriums und Auswählen des Blockes innerhalb der bestimmten Region.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kombinationsschritt weiterhin den Schritt aufweist: Ersetzen (310) des ausgewählten Blockes durch einen Block, der die Wasserzeicheninformation enthält.
  8. Vorrichtung für das Einfügen eines Wasserzeichens in einen Bitstrom auf Blockebene, der eine codierte Abfolge von Bildern enthält, die aufweist: einen Einzelbild- und Blockselektor (220) für das Identifizieren von zumindest einem Block innerhalb des Blockebenen-Bitstroms, für den, wenn die Bildinformation in dem zumindest einen Block verändert wird, eine decodierte Abfolge von Bildern, die den zumindest einen Block enthält, nicht wesentlich beeinflußt würde, und für das Auswählen von zumindest einem Block innerhalb eines Einzelbildes als einen ausgewählten Block, einen Wasserzeichencodierer (210), der mit dem Einzelbild- und Blockselektor verbunden ist, für das Erzeugen eines Blockes, der die Wasserzeicheninformation enthält, und wobei der Einzelbild- und Blockselektor (220) den ausgewählten Block mit dem Block, der die Wasserzeicheninformation enthält, kombiniert, um den Blockebenen-Bitstrom mit einem Wasserzeichen zu versehen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Einzelbild- und Blockselektor weiterhin aufweist: einen Blockprozessor (202) für das Identifizieren von Blöcken innerhalb des Blockebenen-Bitstroms, die nicht als übersprungene bzw. ausgelassene Blöcke codiert werden, und einen Blockselektor (204), der mit dem Blockprozessor verbunden ist, für das Auswählen eines ausgelassenen bzw. übersprungenen Blockes als den ausgewählten Block.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Wasserzeichencodierer (210) mit einem Wasserzeichengenerator (208) gekoppelt ist, für das zur Verfügung stellen eines Wasserzeichenbildes zu dem Wasserzeichencodierer, und wobei der Wasserzeichencodierer (210) weiterhin aufweist: eine Einheit für die diskrete Kosinustransformation, für das Durchführen einer diskreten Kosinustransformation auf dem Wasserzeichenbild, um eine Mehrzahl von DCT-Koeffizienten zu erzeugen, und einen Quantisierer für das Quantisieren der DCT-Koeffizienten, um zumindest einen Block von quantisierten DCT-Koeffizienten zu erzeugen, die den Block aus Wasserzeicheninformation bilden.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin aufweist: einen Benutzerdatenprozessor (216) für das Verändern eines Benutzerdatenfeldes des Blockebenen-Bitstroms, um Wasserzeichendecodierinformation einzufügen.
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